Obtuvo también el título de Ingeniero de Obras Públicas. Más tarde estudió en Madrid la carrera de Filosofía y Letras, en la Sección de Historia, en la que se doctoró en 1944 con la tesis Descubrimientos y Exploraciones en las Costas de California (Premio Extraordinario).

En 1948 obtuvo el doctorado en Derecho Canónico en la Universidad Pontificia de Santo Tomás.

Esta profunda formación en disciplinas intelectuales tan diversas le proporcionó una gran compresión de los problemas de su época, que supo analizar con lucidez, incisividad y sentido sobrenatural.

En julio de 1935, antes de salir de Madrid para las vacaciones de verano, decidió despedirse del Fundador del Opus Dei, al que había conocido durante el curso académico. San Josemaría le invitó a un retiro que iba a dirigir días después. Al término de ese retiro, el 7 de julio, del Portillo pidió la admisión en el Opus Dei.

Con el paso de los años Álvaro del Portillo se convertiría en el colaborador más directo del Fundador, junto al que trabajó en la dirección e impulso apostólico del Opus Dei.

Su figura fue decisiva para la historia de esta institución de la Iglesia. En 1943 viajó a Roma por encargo del Fundador para ser recibido por Pío XII, y exponerle el posible cauce jurídico del Opus Dei.

Fue Vicario Regional del Opus Dei en Italia desde 1947. Impulsó personalmente el comienzo de la labor apostólica en las ciudades más importantes de ese país: Roma, Milán, Nápoles, Palermo, etc. Durante ese tiempo fue nombrado primer Rector del Colegio Romano de la Santa Cruz (1948-1953), en el que se forman desde entonces miembros del Opus Dei de diversos países.

Acompañó al Fundador en sus viajes por Europa y América, para preparar o consolidar el trabajo apostólico en países muy diversos. Trabajó infatigablemente al servicio de la Iglesia.

Gozó del aprecio de los sucesivos Papas -que le confiaron numerosos trabajos al servicio del Pueblo de Dios- por su santidad de vida, su experiencia pastoral, su profunda humanidad –era un hombre de carácter comprensivo, alegre y afable—, su sensibilidad social y sus conocimientos teológicos y jurídicos. Durante el pontificado de Pío XII colaboró con varios dicasterios pontificios.

El Beato Juan XXIII le nombró Consultor de la Congregación del Concilio (1959-66) y fue Secretario de varias Comisiones Conciliares, promoviendo —durante su activa participación en el Vaticano II— la renovación espiritual de la Iglesia con mentalidad abierta y audaz.

El 15 de septiembre de 1975 fue elegido primer sucesor de san Josemaría, por unanimidad y en la primera votación, dentro del Congreso electivo convocado tras el fallecimiento del Fundador. De su etapa al frente del Opus Dei sobresalen dos hechos decisivos: la erección de la Obra en Prelatura personal en 1982 y la beatificación del Fundador en 1992 por Juan Pablo II.

Impulsó la labor apostólica del Opus Dei en nuevos países, como Suecia, Finlandia, Polonia, Checoslovaquia, Camerún, República Dominicana, Hong-Kong, Nueva Zelanda, Trinidad-Tobago, Zaire, Costa de Marfil, etc.

Dirigió el Opus Dei desde 1975 a 1991 con gran dinamismo evangelizador, con un fuerte sentido de comunión eclesial y fidelidad al carisma fundacional. Durante ese periodo esta realidad de la Iglesia pasó de 60.000 miembros a 78.000.

Dotado de gran creatividad apostólica y visión de futuro, promovió numerosas instituciones al servicio de la Iglesia: entre ellas el Ateneo Romano de la Santa Cruz, en Roma, hoy Universidad Pontificia, donde estudian sacerdotes, religiosos y laicos de todo el mundo. Como fruto de su amor y preocupación hacia los más pobres y necesitados, impulso la puesta en marcha de numerosas labores sociales en las zonas más pobres de algunos países del llamado Tercer Mundo.

Fue Consultor de varias Congregaciones vaticanas, y participó en los sucesivos Sínodos de los Obispos. Desde 1975 fue Gran Canciller de las Universidades de Navarra (España) y Piura (Perú). Desde 1980, ocupó ese cargo en la Universidad de la Sabana (Colombia), y desde 1990 en el Ateneo Romano de la Santa Cruz.

Algunos de sus libros y ensayos, traducidos a varios idiomas, han supuesto una notable aportación a la doctrina sobre el laicado y el sacerdocio, como sus libros Fieles y laicos en la Iglesia y Escritos sobre el sacerdocio.

Juan Pablo II le consagró obispo el 6 de enero de 1991.

Tras su fallecimiento, el Papa Juan Pablo II quiso orar ante sus restos mortales en la Sede Central del Opus Dei, como reconocimiento por su servicio al Pueblo de Dios.

Numerosos fieles acuden para rezar ante su tumba, en la cripta de la Iglesia Prelaticia del Opus Dei, en Roma

Sigue en curso su Causa de Canonización, que la Iglesia inició en 2004, diez años después de su fallecimiento, en Roma.